测量飓风下的敌对海洋
图1：来自Teledyne Webb Research的Slocum滑翔机，正在部署中。图片提供：罗格斯大学。
图3：用于暴风雨监测的Teledyne Slocum滑翔机。图片来源：Teledyne Marine
图5：2018年的同一天，飓风哨兵滑行的三条警戒线在工作。图片来源：Teledyne Marine
图6：Teledyne Webb Research EM-APEX浮子。图片来源：Teledyne Marine
无人驾驶车辆收集数据以改善风暴预报
从地球的气候和恶劣的天气条件到渔业和生物多样性，海洋条件和洋流对生活环境的影响现在已得到广泛认可。需要进行持续和广泛的测量，以提供了解海洋，有效监测环境变化以及帮助阐明全球变暖的长期影响的基本线索。
为了应对这一挑战，海洋研究人员发明了各种类型的无人观测平台。 Teledyne Webb Research开发和提供的两种变体是用于测量上层海洋水域的滑翔机和用于观测全球环流的浮标。这些平台支持不断增长的应用范围，对于测量强风暴下的富挑战性水域特别有价值。
测量风暴轨迹中的海洋状况
全球对地球气候变化的关注使大气和海洋的变暖趋势引起了公众的关注。风暴一直备受关注，尤其是飓风和台风。准确预测风暴的降落和强度可以挽救生命并减少不必要的防御费用。
提供给热带风暴的能量来自海洋上半部50 m的热量，特别是温度高于79°F的水域。研究人员已经确定，准确了解热带风暴的强度是破坏性影响的指标，因此预报得到了显着改善。关于风暴路径下的地下水温。底层水温不是静态的。相反，风暴对海洋的作用将更深的水带入了表层，从而改变了可用的能源供应。根据上升水的温度，这种混合可以起到增强或减少风暴的作用。因此，了解海底温度对于风暴预报至关重要。此外，了解风暴不同阶段的洋流及其切变可以更深入地了解海/气相互作用的动力学。
Teledyne Webb Research是无人海底滑翔机技术的先驱。 Slocum滑翔机已从实验原型迅速发展为可靠的移动平台，该平台已在全球范围内的各种上层海洋活动中运行。
图2：热带水域中的Teledyne Slocum滑翔机图片来源：Teledyne Marine
鼠胶滑翔机将其体积改变为下沉或上升；当流体通过其表面时，连接的机翼会产生升力。最终效果是将滑翔机的某些垂直运动转换为水平运动。 Slocum滑翔机以35 cm / s的速度移动，可在4 m至1000 m的深度下工作；可选的混合推进器可提供高达100 cm / s的速度。
Slocum滑翔机按照编程的横断面呈波浪形锯齿状飞行，有时会延长时间。例如，Slocum滑翔机已经连续跨越主要海洋盆地，而这些海洋盆地在海上需要超过四百天的时间。
随着时间的推移，Slocum滑翔机配备了越来越多的海洋传感器，包括集成的电流剖面仪。常规测量水温和盐度等物理性质。滑翔机还观察到了海洋酸度，叶绿素，悬浮沉积物和有害藻华以及内部波浪。
在Slocum滑翔机上已经集成了超过45个传感器套件，使其可以用于广泛的应用。在2010年墨西哥湾Macondo漏油期间，Slocum滑翔机收集了地下数据以支持应急工作。最近的有效载荷包括用于测量海洋混合的湍流传感器，用于评估南极洲浮游动物种群的生物声传感器，以及用于实时监测美国和加拿大东海岸的北大西洋右鲸的水听器。 Slocum滑翔机在南极研究地点也发挥着新的作用，尤其是在冰盖边缘。
风暴监控滑翔机
在过去的十年中，Teledyne Webb Research公司的Slocum滑翔机监视着与暴风雨有关的富挑战性水域，即使遇到高度超过10 m的海浪，也能发送报告。这些无人飞行器提供了一种经济高效的方法，可以以高空间分辨率进行持续的海洋测量。对于暴风雨监视同样重要，滑翔机既具有控制权，又具有承受暴风雨的能力。为了监视风暴，Slocum滑翔机不断巡逻指定的样带。滑翔机测量温度，盐度和其他特性，当它们下降并上升穿过上层海洋时。滑翔机会定期浮出水面，以将其测量结果发送到风暴预报中心。这些海底数据输入到计算机模型，该计算机模型输出有关风暴强度和轨迹的预测。由于来自滑翔机的数据，这些计算机预测的准确性有所提高。
实际上，美国海军经常在全球部署50架滑翔机，用于发送海洋天气预报的数据。十年前，Teledyne因使用滑翔机而获得了海军的“记录计划”合同。
使用暴风雨监视滑翔机的好处的一个令人印象深刻的例子来自2018年在北太平洋西部台风苏利克期间收集的数据。在暴风雨之前已部署了罗格斯大学的Slocum滑翔机。现场数据显示，风暴到来后，海洋高海拔海水温度发生了非常迅速的变化。相比之下，基于计算机的预测模型显示出对暴风雨的响应转换要慢得多，导致模型与收集的数据之间的水温变化相差6˚C。使用近实时数据更新模型可以更好地预测风暴。
在美国最近的飓风季节中，十几个组织部署了风暴滑翔机。 Teledyne Webb Research的Slocum滑翔机因其性能可靠而十分流行。考虑到天气预报，研究人员提前几天将滑翔机引向了风暴的预期路径。滑翔机横断面经过协调和定向，可以穿越风暴的路径，沿美国东海岸的大部分地区覆盖中部至外部大陆架。
图4：2018年台风“苏利克”期间来自北太平洋西部上层海洋的水温数据比较。使用Slocum滑翔机观测到的上层玻璃原位数据。下面板：来自计算机模型的输出。方框突出显示了文本中讨论的区域。图片来源：罗格斯大学
在从马萨诸塞州科德角延伸到北卡罗来纳州哈特拉斯角的大西洋中部海岸线，大陆架很浅。有记录表明，夏季深水比地表水要冷得多。考虑到风暴眼下方的海洋上升流，预计这些冷水的涌入会减弱过去的飓风。
在桑迪飓风之前部署的两个Slocum滑翔机帮助讲述了一个不同的故事。罗格斯大学的研究人员使用滑翔机的计算机模型和数据，确定飓风前缘的强风形成了下行流循环，从而导致冷底水被带到了海上。因此，没有可用的冷水混入地表，从而降低了风暴的视线在同一区域时的强度。实际上，风暴强度明显强于常规预测。
机队规模不断扩大，显然证明了使用Slocum滑翔机进行风暴监测的成功。 2018年，有30多名滑翔机在观察佛罗伦萨，艾萨克和海伦飓风。来自政府，学术界和工业界的参与滑翔机组织齐心协力，利用技术更好地保护沿海社区。
测量迈克尔飓风下不断变化的海洋
仿形浮法技术已经改变了观察海洋的方式。这种方法是由Teledyne Webb研究和斯克里普斯海洋研究所的科学家和工程师首创的。国际Argo计划已部署了这些设备的舰队，以持续和广泛地探索全球海洋。由此产生的数据集为研究气候和海洋过程提供了丰富的资源。
其中许多设备是Teledyne Webb Research提供的自主性能分析资源管理器（APEX）浮标，它已向Argo计划交付了10,000多个性能分析浮标，这是一个供应商提供的最多数量的产品。 APEX浮球通常通过改变其体积（并因此改变浮力）来上升和下降，从而进行周期性的垂直循环，通常每10天进行一次。当它们上升通过水柱时，它们会测量温度和盐度。
努力提高对主要飓风的理解和预测，需要在敌对和充满挑战的地方收集海洋和大气数据。必须不仅在整个水柱中而且还要在风暴通过之前，期间和之后，测量海洋特性，例如水流速度，温度和盐度。
APEX浮标的一种变体-电磁分析浮标EM-APEX，是由华盛顿大学应用物理实验室开发的，非常适合收集这些基本信息。除了测量水的性质，该设备还记录水流速度的曲线。 EM-APEX测量利用了运动感应的电场，该电场在海水流过地球磁场时产生。
为了探索飓风下的海洋状况，必须在暴风雨来临之前立即部署EM-APEX浮标；因此，它们被降落伞从飞机上空投了。当迈克尔飓风于2018年10月进入墨西哥湾时，由尼克大学（Nick Shay）教授（迈阿密大学）领导的一个研究小组将三枚EM-APEX浮标推入了它的路径。空中部署来自在基斯勒空军基地运行的美国空军WC-130J大力神飞机；对这些飞机进行了修改，以收集飓风中的天气信息。几个监视和预测飓风的美国政府机构为空中部署提供了帮助。 Teledyne Marine为从已部署的浮标传输的所有数据提供托管服务，以及其他技术支持。
EM-APEX浮动的配置文件模式在部署期间会有所不同。在飓风到来之前的12个小时中，浮标在水面和800 m深度之间不断循环。一旦飓风到来，浮标就切换为在30 m至300 m深度之间循环，从而避免了危险的，充满能量的地面区域，同时仍能获取上层海洋数据。
飓风过后，浮标在地表和500 m深度之间循环。这种模式解决了近惯性波，这是风暴后最活跃的特征。近惯性运动增强了速度剪切力，使其成为垂直混合过程的关键驱动力。
EM-APEX浮标在飓风到达其位置前约12小时展开。在战役期间，正确执行了所有三个阶段中所需的配置文件周期，确保没有EM-APEX浮标受到暴风雨的破坏。当浮子浮在水面时，其数据传输被Teledyne数据服务器接收。 EM-APEX浮动样本在六天内记录了600多个配置文件。这些数据流帮助研究人员了解和预测了主要飓风的特征，并几乎实时地观察到海洋对充满活力的大气强迫的反应。
保护沿海社区
前面的叙述举例说明了无人观测平台在海洋观测能力方面的显着进步。这些便携式移动设备已被用于在水域中进行扩展测量，这对于船舶来说太具有挑战性，对人类来说太危险。滑翔机和轮廓浮标允许近实时评估和报告飓风和台风之下的不利海洋状况。除了这些数据对海洋研究的价值外，它们的信息内容还具有重要的社会效益。它们有助于更准确地预测风暴的降落和强度，从而保护沿海社区，减少不必要的防御费用，甚至挽救生命。
关于作者：
彼得·西班牙（Peter Spain）博士从地面向下钻研，在华盛顿大学应用物理实验室学习海洋物理。他使用新仪器测量洋流。 Peter在斯克里普斯海洋学研究所（Scripps Institution of Oceanography）担任博士后，于1990年加入RD Instruments。他在销售与市场营销部门工作，从销售人员到部门和业务部门管理。今天，他多样化活动的共同主题是技术营销。
Teledyne Marine的技术高级总监Clayton Jones一直参与海洋传感器平台（包括轮廓浮标和滑翔机）的创建，设计和开发。
图7：机载部署EM-APEX浮标。信用：美国空军参谋长。 DVIDS的Julianne M.Showalter。美国的外观
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